对流与对流传热系数.ppt

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1、1,第四节 对流与对流传热系数,的获得主要有三种方法：,用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。,把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。,建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。,2,4-15 影响对流传热系数的因素,一、引起流动的原因,(1-2)g=2 g t,1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动,2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动,设1、2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，为其平均体积膨胀系数；,如果 t1 t2,则 1=2（1+t）,单位体积流体所

2、产生的升力为,火,与流动的类型有关,3,二、流体的流动型态：层流和湍流,湍流：有混合流动，Re层流内层厚度,三、流体的性质,对影响较大的物性主要有 cp、和,四、传热面的型状、大小和位置,影响值的有：传热管、板、管束等不同，传热面的形状，管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高度等,影响的因数很多,4,化工上常见的对流传热,流体无相变化时,流体有相变化时,强制对流传热,自然对流传热,蒸汽冷凝传热,液体沸腾传热,5,4-16 因次分析在对流传热中的应用,实验测定,值,因数多,因次分析方法,无因次数群,再实验,确定关系,一、无相变化时强制湍流下的,七个物理量四个基本因次（质量M、长度L、

3、时间、温度T）,3个无因次数群,6,对流系数的准数,流体的流动状态和湍动程度对对流传热的影响,流体物性对对流传热的影响,二、无相变化时自然对流下的,Nu,pr,自然对流对对流传热的影响,准数关联式是一种经验公式,7,准数的符号与意义,L传热面的特征尺寸 m,8,经验公式的应用应注意以下四点：,1、应用范围,2、定性尺寸（特性尺寸）,各准数Nu、Re及Gr中的特性尺寸l代表哪一个尺寸，应遵照所选用的关联式中规定尺寸,3、定性温度,确定准数中流体的物性参数cp、等所依据的温度即为定性温度。,主要取决于建立关联式时采用什么方法而定,有的用膜温（即流体进、出口温度的算术平均值与壁面温度平均值，再取两者

4、的算术平均值）,有的用流体进、出口温度的算术平均值,9,4-17 流体做强制对流时的 对流传热系数,一、流体在圆形直管内强制对流传热,经验关联式为：,或,使用范围：,管长与管径之比,定性尺寸：L取管内径 di,定性温度取流体进、出口温度的算术平均值,流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3,从分发展段以后：,10,若使用条件不满足上述条件时，需修正：,乘以1.021.07的系数加以修正,（1）对于短管,（2）壁温与主体温度相差较大,考虑壁温对粘度的影响,在壁温未知的情况下,当液体被加热时,当液体被冷却时,尚未从分发展，滞流内层较薄，热阻小,（3）管内层流,层流,导热,自然对流,对流传热要求强化

5、避免层流,p226式5-65和式5-66,11,（4）过渡流(Re=200010000),因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时算得的值须乘以小于1的校正系数f,（5）圆形弯管,离心力作用,扰动加剧,乘以校正系数,（6）非圆形管道,两个途径：,、当量直径,、直接根据有关经验公式计算,p227式5-70,12,分析式中各项物理参数对对流传热系数带来的影响：,其他参数一定，与u的0.8次方成正比，说明增大流速有利于的提高，但随u，阻力hf，故应适当增大动力。,其它参数一定，u一定，与d的0.2次方成反比，改变管径对的影响不大。,其它参数一定，V一定，与d的1.8次方成反比，改变管径，缩

6、小管径将使。,13,【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自-5升至15。假定管壁的平均温度为20，试计算管壁与流体间的对流传热系数。,解：定性温度=(-5+15)/2=5,有关手册查得5时25%CaCl2的物性为,20时，,则,（层流）,14,在本题条件下，管径较小，管壁和流体间的温度差也较小，粘度较大，因此自然对流的影响可以忽略，故可用式(5-65)计算，即,而,15,【例5-16】已知Q=4105kJ/h，两个单程换热器：D=270mm，n=48，252.5mm，l=3m问：（1）两个换热器能否满足要求？

7、（2）是并还是串？,分析：,满足工艺要求?,K?,i?,o?,Ri?,Ro?,A=ndl,tm?,T1,t1,T2?,t2?,-NTU,16,单独进行计算,?,?,17,二、管外强制对流,（a）流动情况（b）对流传热系数变化情况（图中p表示局部对流传热系数，表示平均对流传热系数）流体垂直流过单根圆管的流动情况,1、流体绕单根圆管的流动情况,18,2、流体在管束外横向流过的对流传热,式中常数C1C2和指数n见表5-5,错列的比直列时大,适用范围,平均,19,3、列管式换热器,20,图5-30,或,使用范围：,特征尺寸：当量直径de，根据管子排列形式分别计算；,三角形：,正方形：,流速，可由,流体

8、走短路,4、无折流板，平流流动，可用管内强制对流。,21,三、提高对流传热系数的途径,力求使流体在换热器中达到湍流,管内,管外,u,hf,动力,也可装置添加物,最佳流速,22,【补例】某车间有一台运转中的单程列管式换热器，热空气走管程，由120降至80，其对流传热系数1=50W/m2。壳程的水被加热，水进口温度为15，出口升至90，其对流传热系数2=2000 W/m2。管壁热阻及污垢热阻皆可不计，换热器系逆流操作。试计算水量增加增加一倍时，水和空气的出口温度t2和T2为若干。,分析：,原工况下,T1,t1,T2,t2,Q=Q,1,2,tm,K?,A?,ms1cp1?,ms2cp2?,新工况下,

9、ms2,ms2=2ms2,1=1,2=20.82,Q 和Q均要变,Q=Q,K?,A不变,对新旧工况进行比较来进行计算,23,解：旧工况下,T1=120，T2=80，t1=15，t2=90,1=50W/（m2K），2=2000W/（m2K），,T 80120 t 15 90,t 65 30,(1),新工况下,2=20.82,24,T T2 120 t 15 t2,t T2-15 120-t2,(2),(1)/(2)得：,(3),(4),25,(3)代入(4)，得：,(5),联立(3)和(5)，得：,t2=61.9，T 2=69.9,26,4-17 流体作自然对流时的对流传热系数,大容积自然,Nu

10、=f(Pr,Gr),由图5-33和图5-34,式子系数C与指数n可由表5-6选取。,两种方法：,定性温度用平均温度（膜温）,定性尺寸见表5-6,27,4-18 蒸汽冷凝时的对流传热系数,1、膜状冷凝,一、蒸汽冷凝的方式,冷凝,潜热,化工生产中一般是膜状冷凝,2、滴状冷凝,液膜是传热的主要热阻,比膜状冷凝时大几倍至十几倍,28,二、膜状冷凝的对流传热系数,1、蒸汽在垂直管外（或板外）冷凝,冷凝液为滞流流动时：,冷凝液为湍流流动时：,H,29,2、水平圆管外的,拉大管间距,单根,蒸汽冷凝器一般采用卧式的更为有利,与垂直放置比较,管束,30,3、影响冷凝传热的因素,液膜呈滞流：t冷凝速率,液膜两侧温

11、差,凝液物性,见公式,蒸气的流向与速度,蒸气中不凝性气体含量的影响,p不凝性气体含量冷凝时形成“气膜”,蒸气过热,冷凝壁面的影响,31,【补例】一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝给热系数1=1000W/m2，冷却水给热系数2=100W/m2，已测得冷却水进、出口温度分别为t1=30，t2=35。如将冷却水的流量增加一倍，蒸汽冷凝量增加多少？（已知该蒸汽在饱和温度100 下冷凝，且忽略热损失）,分析：,原工况下,T1,t1,T2,t2,Q=Q,1,2,tm,K?,A?,ms1cp1?,ms2cp2?,新工况下,ms2,ms2=2ms2,1=1,2=20.82,Q 和Q均要变,Q=Q,K?,A不变,对新旧工况

12、进行比较来进行计算,32,解：据题意可知本题中新工况下换热任务有变化，故可由,T 100100 t 30 35,t 70 65,式中，原工况时：,33,新工况时,2=20.82,T 100100 t 30 t2,t 70 100-t2,34,由上式解得：,t2=34.1,则 蒸汽冷凝量之比为：,即新工况下蒸汽冷凝量为原工况时的1.64倍,讨论：tm的变化幅度很小，而K值的变化却较大，,即冷凝量的增加主要是由于传热系数K值的提高而所引起的。,35,4-19 沸腾时的对流传热系数,在液体的对流传热过程中，在液相内部有液体不断汽化的过程，称为沸腾传热过程。,沸腾方法：大容积沸腾；管内沸腾,1、沸腾曲

13、线,汽化中心,“粗糙壁面”具有的气化核心对沸腾很重要,36,自然对流：t 较小5，与q 都比较低；,泡核沸腾或核状沸腾：,t 525，与q 都急剧增大；,t 25，不稳定，与q 急剧下降,膜状沸腾：,临界点,37,工业上的沸腾装置多维持在核状沸腾状态,2、沸腾对流传热系数的计算,大容积饱和核状沸腾,(1),各参数见p244。,(2),3、影响沸腾传热的因素,(1)温度差的影响 应尽量在核状沸腾阶段进行操作。,(2)操作压力的影响 p，强化对流传热过程。,(3)液体物性的影响,(4)加热面的影响,壁面粗糙的，有利,表面张力小，有利,38,4-20 对流传热系数关联式小结,39,的量级,空气中,水

14、中,总之：,油类中,40,注意以下几点：,1、首先分析所处理的问题是属于哪一类,2、选定相应的对流传热系数计算式时，特别应注意的是所选用的公式所规定的适用范围，规定的特性尺寸，定性温度等。,3、事先不知流型的情况，用试差法来进行计算。,4、注意公式中物性数据的单位,p246-247，表5-8,41,第三节 辐射传热,4-21 基本概念,辐射：物体以电磁波形式传递能量的过程。,热射线：0.4 40 m的可见光与部分红外线，起决定作用,热射线服从光的反射和折射定律,即：,D=1透热体,A吸收率；R反射率；D透过率。,A=1称为黑体或绝对黑体；,R=1称为镜体或绝对白体；,42,4-22 物体的发射

15、能力 斯蒂芬-玻尔兹曼蒂定律,揭示黑体的辐射能力与其表面温度的关系,发射能力（或称辐射能力）,E，单位为W/m2,o黑体的辐射常数,TK,Eo黑体的辐射能力,黑体的辐射系数,黑度：,实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比,恒小于1,43,4-23 克希霍夫定律,灰体：,凡能以相同的吸收率且部分吸收由0到所有波长范围的辐射能的物体,灰体特点：,(1)它的吸收率A不随辐射线的波长而变；,(2)它是不透热体，即A+R=1。,理想物体,大多数的工程材料都可视为灰体,T1T2,克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力E与吸收率A间的关系,辐射传热的结果为：,热平衡时，即T1=T2时，Q/S=0,E1=A

16、1Eo,表明任何物体（灰体）的辐射能力与吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即仅和物体的绝对温度有关。,44,4-24 两固体间的相互辐射,经历反复吸收和反射,实际两物体间的辐射传热速率为,非无限大，距离大时。,式中：Q1-2净辐射传热系数，W；C1-2总辐射系数，W/m2K4；,T1、T2开尔文温度，K；Am2；,角系数,45,4-25 气体热辐射的特点（自学）,1）气体辐射和吸收对波长具有强烈的选择性。,气体辐射与固体辐射有很大的区别,2）气体辐射是一个容积过程。,46,4-25 热辐射、对流的联合传热,设备的外壁温度高于环境温度，此时热量将以对流和辐射两种方式自壁面向环境传递而引起

17、热损失,对流传热而引起的散热速率为,辐射传热而引起的散热速率为,总的散热速率为：,T=+R称为对流辐射联合传热系数,47,6.8 间壁式换热器,管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。,48,列管式换热器（管壳式换热器）,一、构造,49,6.8.1列管式换热器（管壳式换热器）,一、构造,50,列管式换热器（管壳式换热器）,思考：如何判断壁温tw、Tw接近哪一个温度？T、t or t0？,温差在50以上时，要考虑温度补偿问题,51,温度补偿问题：,换热器两端管板和壳体是连为一体的。其特点是结构

18、简单、制造成本低，适用于壳体和管束温差小、管外物料比较清洁、不易结垢的场合。当壳体和管子之间的温差较大(6070)且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。,补偿圈补偿-固定管板式换热器,52,温度补偿问题：,浮头补偿-浮头式换热器U型管补偿-U型管式换热器,一端管板用法兰与壳体连接固定，另一端在壳体中自由伸缩，整个管束可以由壳体中拆卸出来。适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合。,用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。,53,54,列管式换热器（管壳式换热器）,二、选用、设计原则,55,设计方法及步骤：,列管式换热器（管壳式换热器）,56,强化管式换热器：

19、翅片管式-横向传热面积大，传热效率高，总传热系数为光管的四至八倍。,其它类型的换热器,57,58,板式换热器,其它类型的换热器,板式换热器是由一组波纹金属板组成,板上有孔,供传热的两种流体通过.金属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内,并用夹紧螺栓夹紧.板式换热器作为一种新型、高效、节能的换热设备已越来越在众多领域广泛应用,并且有逐步取代其它类型之趋势.,59,板式换热器,60,板式换热器,强化管式换热器,折流杆换热器,61,螺旋板换热器：,传热效率高传热效率为列管式换热器的13倍阻力小以较低的压力损失，处理大容量蒸气或气体；有自清刷能力，因其介质呈螺旋形流动，污垢不易沉积；清洗容易

20、，可用蒸气或碱液冲洗，简单易行，适合安装清洗装置；介质走单通道，允许流速比其它换热器高。,62,螺旋板式换热器,63,热管,64,65,换热器的强化途径,强化传热,提高传热速率,K,A,tm,一、增大传热面积A,已有的换热器,A定值,从分利用其有效的传热面积,设计,A,Q,设备费,有局限性,二、增大平均温度差tm,tm 取决于冷热流体的初、终温,物料的温度由生产工艺所决定，一般不能随意变动,冷却和加热介质的温度则因选择的 介质不同而异，应考虑技术上的可能性和经济上的合理性。,66,三、增大总传热系数K,强化传热的最有效途径,i、o接近时,i、o差别较大时,应予以同时提高,应提高小的,提高K值,热阻主要集中在靠近管壁的层流底层,强化传热的办法应从以下几方面考虑：,1、增加湍动程度，以减少层流底层的厚度,（1）、u,（2）、改变流动条件，通过设计特殊的传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，提高湍动程度。,67,2、尽量采用有相变化的载热体，可得到大的对流传热系数。,3、采用导热系数较大的载热体。,4、当壁两侧的对流传热系数很大，污垢热阻很小时，金属壁的热阻才对传热过程有较明显的影响。,5、防止污垢和及时地清除垢层，以减小污垢热阻。应采用防止或减慢结垢的措施，并应及时清除传热面上的垢层。,